دنفر، كولورادو

يقترب الفيزيائيون من الإبداع “الساعة النووية” التي طال انتظارها. سيحافظ هذا الجهاز على الوقت عن طريق قياس تحولات الطاقة في نوى الذرات ويمكن أن يصبح الساعة الأكثر دقة على هذا الكوكب.

منذ عقود مضت، توقع العلماء إمكانية استخدام نظير الثوريوم 229 في مثل هذه الساعة، لكنهم لم يتمكنوا من تحديد تحولها غير المعتاد للطاقة النووية. هذا العمل الفذ، سيتم تحقيقه باستخدام الليزر في عام 2024، بدأ العد التنازلي للساعة النووية.

والآن، أصبحت مثل هذه الساعة «أقرب كثيرًا مما يظن الناس»، كما يقول إريك هدسون، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، الذي يعمل على واحدة منها. “سوف ترى قياسات الساعة النووية في عام 2026، أنا متأكد.”

ما يقرب من اثني عشر فريقًا بحثيًا منتشرًا في جميع أنحاء الصين وأوروبا واليابان والولايات المتحدة يقتربون من تجميع مكونات مثل هذه الساعة، بما في ذلك مصدر الثوريوم 229 – وهو مشع – وليزر قوي مستمر فوق البنفسجي لتحفيز تحول الطاقة. في قمة الفيزياء العالمية للجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS) في دنفر، كولورادو، هذا الأسبوع، قدم الباحثون تحديثات حول التقدم الذي أحرزوه، بما في ذلك تفاصيل تطوير الليزر.

أعربت كلير كريمر، المديرة التنفيذية لعلوم الكم في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، والتي كانت حاضرة، عن تفاؤلها بشأن إمكانات الساعات النووية ذات الحالة الصلبة: “إنها تقنية واعدة حقًا للتطبيقات التجارية”.

وذلك لأن الساعات النووية يمكن أن تكون قادرة على مقاومة الضوضاء ولها تصميم مدمج للاستخدام خارج المختبر. وقد تتجاوز أيضًا دقة الساعات الذرية الضوئية، وهي أفضل أدوات ضبط الوقت حاليًا في هذا المجال، والتي تفقد ثانية واحدة فقط كل 40 مليار سنة.

المناورة بالليزر

إن ضبط الوقت، سواء في ساعة الجيب أو في مختبر الفيزياء، يتلخص في حساب الأحداث السريعة والمنتظمة – “الدقات” في أي ساعة. في الساعات الذرية الضوئية، هذه الأحداث هي قفز الإلكترونات في الذرة بين حالة الطاقة الأرضية والمثارة. يثير الليزر الذي يتراوح طوله الموجي بين 350 و750 نانومترًا (الجزء المرئي أو البصري من الطيف الكهرومغناطيسي) هذا التحول، الذي يمكن أن “يحدد” تريليونات المرات في الثانية الواحدة.

وعلى النقيض من ذلك، فإن الساعة النووية ستحسب التحولات بين الدول النووية للثوريوم-229. تحتوي هذه العناصر على نفس العدد من البروتونات والنيوترونات، لكن طاقاتها مختلفة اعتمادًا على كيفية ضغط الجسيمات معًا في النواة.

لمدة نصف قرن، ظلت الطاقة الدقيقة للانتقال إلى الثوريوم-229 غير مؤكدة. بدأت عدة مجموعات بحثية مستقلة في الاقتراب من الإجابة منذ بضع سنوات¹. وتوج البحث بتجربة عام 2024² بقيادة تشوانكون تشانغ، عالم الفيزياء الذي يعمل الآن في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا، وجون يي، عالم الفيزياء في معهد أبحاث جيلا في بولدر، كولورادو. باستخدام مشط التردد – وهو ليزر به حوالي 30 مليون تردد يمكنه ضرب البلورة في وقت واحد – حدد تشانج ويي وزملاؤهما عملية الانتقال بدقة فائقة. ومع ذلك، للوصول إليه في ساعة نووية عاملة، يحتاج العلماء الآن إلى ليزر قوي ومستقر موجي مستمر بطول موجة فوق بنفسجية يبلغ حوالي 148 نانومتر. ولم يتم صنع مثل هذا الليزر.

اتخذت مجموعة مقرها في جامعة تسينغهوا في بكين، الصين، بعض الخطوات الواعدة نحو بناء واحدة. في الشهر الماضي، أبلغ الفريق طبيعة³ أنها أنتجت 100 نانو واط من الطاقة عند 148.4 نانومتر. وعلى الرغم من أن الباحثين أشادوا بهذا التقدم، إلا أن البعض في اجتماع الجمعية الأمريكية للفيزياء أعربوا عن ترددهم بشأن آفاق الليزر على المدى الطويل، لأنه يتطلب تسخين بخار الكادميوم السام إلى 550 درجة مئوية.